1481

лужидких смесей, нефтяных продуктов. Погрузчик может выполнять уборку щебня без снятия рельсов и шпал, очистку дренажных каналов, отверстий, стрелочных переводов, а также очистку вагонов после транспортировки загрязняющих материалов или животных, выгрузку вагонов, ликвидацию последствий экологических аварий.

Машина способна из путевого полотна высасывать щебень, уголь, мелкодисперсные фракции, жидкие и сыпучие материалы с максимальным размером до 65 мм. С помощью удлинительных трубопроводов и шлангов обеспечивается высасывание материалов на расстояние в 50–100 м. В летнее время погрузчик может работать в качестве мобильной путевой машины, а в зимний период использоваться как автономная стационарная установка для очистки железнодорожных вагонов или другого промышленного оборудования.

Вакуумный погрузчик смонтирован на путевой моторной тележке и двух прицепных тележках и состоит из моторной вакуумной установки и фильтрационной установки, манипулятора, топливной и гидравлической систем. На машине установлены два контейнера для накопления материала объемом по 6,4 м3. Минеральная шерсть, находящаяся между перфорированными листами, обеспечивает хорошую звукоизоляцию. С обеих сторон установки находятся двери, обеспечивающие доступ для сервисного обслуживания. Дизельный двигатель и вакуумный насос Рутса, создающий разрежение до 200 мбар (2·104 Па), располагаются на самостоятельной раме, которая крепится к раме силовой установки.

Фильтрационная установка предназначена для улавливания мелких частиц пыли, которые не остались в контейнере, на основе гравитационного принципа, а затем оставшиеся в воздухе частицы фильтруются на фильтрационных кассетах. Выгрузка фильтрационного модуля проводится через два боковых отверстия на обе стороны машины.

Фильтрационные мешки изготовлены из полиэстерной ткани на металлическом каркасе. Мешки очищаются за счет перепада давления воздуха, возникающего после открытия донных клапанов.

151

Конструкция контейнера сварная из стальных листов и тонкостенных профилей. Выгрузка накопившегося материала производится через боковые двери на обе стороны машины (в автосамосвалы). Каждый контейнер оборудован датчиком уровня высоты накапливающегося материала. Манипулятор служит для перемещения наконечника всасывающего шланга и состоит из четырех стрел, три из которых действуют в вертикальной плоскости. На четвертой стреле укреплен всасывающий шланг. Весь механизм является поворотным вокруг вертикальной оси и перемещается по поперечным направляющим, укрепленным на раме машины. Все стрелы манипуляторауправляются гидроцилиндрами.

Вакуумные установки DuroVac (Канада) используются в процессе добычи руды, ее транспортировки и зачистки забоя на ОАО «Рудник Каральвеем» (Магаданская область) в условиях вечной мерзлоты и высокой абразивности пород (рис. 6.15). Первая вакуумная установка компании была поставлена в 2010 г. для очистки от остатков золотосодержащей руды всех старых выработок, которые было невозможно подобрать и переместить на расстояние до 200 м другим способом. Сейчас эта установка участвует в процессе очистки забоя после его отработки обычным методом, исключив все потери полезного ископаемого.

Рис. 6.15. Варианты исполнения малогабаритных вакуумных установок для золотодобывающей промышленности

152

Возможность выборочно собирать фракцию от мельчайшей пыли до кусков до 90 мм (рис. 6.16) позволяет в 2–3 раза увеличить содержание чистого золота в расчете на 1 т полезного иско-

от 15 до 40 г на 1 т. Только за 11 месяцев работы рудник дополнительно получил около 150 кг в пересчете на чистое золото.

Надо отметить, что использование этих установок не ограничивается только применением их на золотодобывающих рудниках. Стационарные и передвижные установки с мощностью от 2 до 250 кВт широко используются на калийных рудниках, фабриках, других производствах, т.е. там, где есть необходимость перемещать сыпучие грузы на требуемые расстояния без применения другой техники, удалять просыпи под транспортерами и т.д., элементарно убирать производственные площади, для чего они выпускаются различной мощности и модификаций. Огромной популярностью пользуются небольшие, легкие, передвижные установки мощностью 2–4 кВт, с объемом мусоросборника 75 л и степенью фильтрации 99,9 %. Такие установки незаменимы для уборки рабочих мест.

6.3. Вакуумные технологии в электроснабжении шахт

Особую роль для горнодобывающих предприятий играют системы электроснабжения, их надежность и безопасность. В отечественной и зарубежной практике широкое применение нашли вакуумные коммутационные аппараты (ВКА) − выключа-

153

тели и контакторы, позволяющие значительно повысить надежность электроснабжения, повысить безопасность при эксплуатации в условиях взрывоопасной атмосферы и уменьшить эксплуатационные затраты на ремонт и техобслуживание. Преимущества ВКА в наибольшей степени проявляются в электроустановках взрывобезопасного исполнения с частыми коммутациями и тяжелым режимом работы.

Контактная система в вакуумных аппаратах помещается в герметичную камеру, в которой поддерживается остаточное давление в диапазоне 10–3–10–5Па. Электропрочность межэлектродного промежутка в вакууме на порядки выше, чем в воздухе при атмосферном давлении, и поэтому дугу между контактами можно погасить даже при небольшом ходе контактов. Кроме этого достигается полная искробезопасность коммутационного оборудования.

154

7. ВАКУУМНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

К группе электрофизических установок (ЭФУ) относятся электронные и ионные ускорители, ускорительно-накопительные комплексы (в частности, протон-протонный коллайдер на сверхпроводящих магнитах в Протвино), столкновители (линейные коллайдеры), термоядерные реакторы и некоторые другие системы, предназначенные для проведения фундаментальных и прикладных исследований строения материи, физики плазмы, физико-технических основ энергетики и пр. Ускорители применяются для исследования свойств элементарных частиц, в дефектоскопии, лучевой терапии, термоядерные реакторы – для исследований управляемой термоядерной реакции. При создании любых электрофизических установок определяющим фактором является глубина вакуума. Считается, что фоновое давление в термоядерных реакторах с магнитным удержанием плазмы не должно превышать величину 10–6−10–8 Па при объеме камеры до 800 м3 и площади стенок до 1000 м2. Быстрота действия сверхвысоковакуумных откачных систем, применяемых в ЭФУ, обычно превышает 104 м3/с. В накопителях и столкновителях величина требуемого остаточного давления составляет 10–7−10–9 Па при очень малой, не более 50−80 мм, апертуре вакуумных камер, их протяженности от сотен до десятков тысяч метров и весьма интенсивном газовыделении со стенок. Жесткие ограничения также накладываются и на парциальный состав остаточной атмосферы. Она не должна содержать углеводородов и компонентов с большим атомным номером. Типичная вакуумная система электрофизической установки содержит следующие основные элементы:

вакуумную камеру, в которой осуществляются основные физические процессы: ускорение, транспортировка и накопление

155

заряженных и нейтральных частиц, формирование и нагрев сгустков плазмы, поддержание электрического разряда в разреженных газах;

систему вакуумной откачки, включающую основные и вспомогательные насосы для вакууммирования камеры на различных стадиях рабочего цикла;

систему вакуумметрии и газоанализа;

систему контроля герметичности вакуумного тракта;

коммутационно-регулирующую аппаратуру, обеспечивающую управление газовыми потоками, контроль подачи рабочего газа в камеру, разделение вакуумного тракта на отдельные участки и т.д;

систему управления.

в

Рис. 7.1. Протяженная камера: а – с одним насосом; б – с несколькими насосами: 1 – камера; 2 – вакуумный насос; в – схема установки по исследованию тормозных потерь протонов в плазменной мишени (HV – высоковольтный источник, MKA – микроканальный анализатор)

156

Рис. 7.2. Структурно-периодическая камера типа диафрагмированный волновод: 1 – элементарные ячейки; 2 – разделительные сосуды

Рис. 7.3. Циклотронный комплекс тяжелых ионов DC-60 (проект Лаборатории ядерных реакций им. Флерова ОИЯИ для Республики Казахстан), выполненный по структурно-периодической схеме (стрелками указано положение средств откачки и номинальные скорости откачки)

Взависимости от конструктивных, структурно-физических

иэксплуатационных особенностей вакуумные системы ЭФУ делятся на два типа. Первый тип – так называемые вакуумные сис-

157

темы с сосредоточенными параметрами – включает в себя системы с преимущественно дискретным расположением средств откачки, присоединенных к компактной камере большого объема

спомощью сравнительно коротких трубопроводов, и локализованной газовой нагрузкой. Второй тип – вакуумные системы

сраспределенными параметрами – включает в себя системы на основе протяженных (рис. 7.1) и структурно-периодических вакуумных камер с распределенной газовой нагрузкой (рис. 7.2, 7.3) и встроенными в камеру протяженными насосами.

7.1.Вакуумные системы ускорителей

иускорительно-накопительных комплексов

В1977 г. в СССР в Институте физики высоких энергий (УНК ИФВЭ, Протвино), в 1986 г. в США (SSC) и в 1991 г. в Европейском центре ядерных исследований (Большой адронный коллайдер (LHC), CERN в Швейцарии) появились проекты создания ускорителей нового поколения – протонных суперколлайдеров тераэлектронвольтного диапазона энергий, использующих

сверхпроводящие магниты (SSC в США: энергия частиц Е = 2×20 ТэВ, периметр вакуумной камеры ПВК около 83 км; уско- рительно-накопительный комплекс (УНК) в ИФВЭ: Е = 2×3 ТэВ,

ПВК = 21 км; LHC в CERN: Е= 2×7 ТэВ, ПВК ≈27 км).

В подобных проектах большая часть вакуумной камеры находится внутри криогенной системы сверхпроводящих магнитных элементов. В этом случае разумно, чтобы вакуумная камера также поддерживалась при низкой температуре, используя возможности сорбционной криогенной откачки и уменьшая тепловую нагрузку на криогенную систему магнитов. Благодаря собственной интенсивной откачке холодную камеру можно выполнить небольшого диаметра, несмотря на уменьшение проводимости, и тем самым значительно снизить стоимость сверхпроводящих магнитов. Предварительный отжиг камеры перед ее охлаждением не обязателен, что приводит к большой экономии на термическом оборудовании и дополнительном уменьшении апертуры магнитов.

158

При температурах жидкого гелия 4 К и чуть выше стенки камеры являются эффективным крионасосом, однако адсорбированные на них молекулы никуда не удаляются и могут быть вновь десорбированы.

Таким образом, выбор криосорберов для вакуумных камер коллайдеров должен быть ориентирован на рабочие температуры в диапазоне 10–20 К. Выбор наиболее перспективного адсорбента для коллайдеров требовал дополнительных исследований. Согласно условиям работы криосорбционный материал должен обладать достаточно большими скоростью откачки и сорбционной емкостью в рабочем диапазоне температур, иметь небольшие геометрические размеры, обладать хорошими конструкционными свойствами, допускать регенерацию при температурах не выше 300 К и т.д.

С целью выбора эффективного криосорбционного материала для использования в сверхпроводящих коллайдерах и других криогенных высоковакуумных ЭФУ было проведено экспериментальное сравнение сорбционных возможностей нескольких наиболее перспективных материалов, специально разработанных для криосорбции водорода в диапазоне температур от 10 до 20 К (пористая медь, анодированный алюминий, формированный активированный уголь с высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП)). Было показано, что криосорберы на углеродной основе имеют наибольшую удельную криосорбционную емкость по водороду и являются наиболее перспективными для криогенной откачки.

Наиболее эффективными криосорберами являются активированные угли, тканые и нетканые углеволоконные полотна. Активированные угли, углеволоконное полотно и углеволоконная ткань показывают сопоставимые скорости откачки и высокие сорбционные емкости. Активированные угли обеспечивают максимальную емкость, что выгодно отличает их от других криосорберов. Однако нетехнологичность клеевого закрепления угля на носителе и осыпание приклеенной угольной крошки – глав-

159

ные недостатки такого решения, что дает преимущество углеволоконным материалам. Более простая технология крепления нетканого полотна по сравнению с тканью делает предпочтительным выбор углеволоконного нетканого полотна, но при креплении нетканых материалов необходимо учитывать критичность влияния величины зазора, образующегося между экраном и криосорбером.

Серьезной проблемой коллайдеров с отрицательно заряженными пучками частиц является угольная пыль – один из недостатков углеродных материалов. Для углеволоконных материалов основной источник пыли – места механического нарушения однородной структуры материала – места разреза. Специальная обработка краев реза позволяет значительно снизить образование пыли. Кроме того, конструктивное размещение криосорбера только в нижнем зазоре между камерой и экраном пучка затрудняет проникновение пыли в канал пучка. Дополнительное преимущество углеволоконных материалов – низкий коэффициент вторичной электронной эмиссии (вдвое ниже, чем у меди), что позволяет эффективно снижать электронный мультипактор (резонансный высокочастотный разряд).

Исследование динамики давления в вакуумной камере на начальном этапе адсорбции газа показало, что разным температурам экрана соответствуют различные режимы изменения давления, обусловленные разной эффективностью адсорбции водорода на экране. На динамику давления также влияют адсорбирующие при температуре жидкогогелия стенки вакуумной камеры.

Таким образом, после всесторонних исследований, в качестве криосорбера водорода в холодных вакуумных камерах коллайдеров было предложено углеволоконное полотно, промышленно изготавливаемое в России в виде тканого и нетканого полотна. Для вакуумной камеры в длинных прямых секциях (ДПС) большого адронного коллайдера LHC предложено использовать в качестве криосорбера углеволоконную ткань УВИС-АК-Т со специально обработанными краями.

160